Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 10
1.1 Основные тенденции совершенствования станков с ЧГТУ в интегрированном производстве 10
1.2 Проблемы изготовления маложестких деталей и деталей сложной геометрической формы 15
1.3 Управление процессом обработки на станках с ЧГТУ 21
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 28
2. Исследование преобразования траектории движения суппорта в траектории движения инструмента относительно заготовки с учетом упругих деформаций 32
2.1 Преобразование траектории движения суппорта в траекторию движения инструмента относительно заготовки при продольном точении 33
2.2 Преобразование траектории скорости подач в траекторию движения вершины инструмента относительно заготовки 38
2.2.1 Преобразование траектории движения суппорта в траекторию движения инструмента относительно заготовки при отсутствии упругих деформаций в направлениях х, и х2 40 '
2.2.2 Преобразование траектории движения суппорта в траекторию движения инструмента относительно заготовки при фиксированной глубине резания и небольшой величине жесткости в направлении xi 51
2.3 Преобразование траекторий продольной и поперечной подач в траектории движения вершины инструмента. Обработка изделий сложной геометрической формы 62
2.4 Выводы 78
3. Экспериментальное изучение преобразования траекторий движения исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки 81
3.1 Методика проведения исследований 82
3.2 Переходные процессы при врезании инструмента 98
3.3 Переходные процессы при выходе инструмента 102
3.4 Идентификация параметров динамической модели процесса резания при управлении траекториями исполнительных перемещений станка 106
3.5 Исследование циклической составляющей силы резания на этапах врезания и стационарного резания 113
3.6 Выводы
4. Реализация концепции управления процессом точения по многообразию траекторий, обеспечивающих заданные показатели геометрического качества изделия 122
4.1 Методика вычисления траектории перемещения исполнительных элементов станка при обработке маложесткой оси постоянного диаметра , 122
4.2 Методика вычисления траектории перемещения исполнительных элементов станка при обработке деталей сложной геометрической формы 141
4.3 Экспериментальный подход к коррекции управляющих программ на основе анализа точности обработки пробной детали 165
4.3.1 Пример модификации программы 166
4.3.2 Анализ эффективности нового способа управления станком с ЧПУ 173
4.4 Выводы 182
Заключение. Общие выводы 186
Список использованной литературы 192
Приложения 201
- Основные тенденции совершенствования станков с ЧГТУ в интегрированном производстве
- Преобразование траектории движения суппорта в траекторию движения инструмента относительно заготовки при продольном точении
- Переходные процессы при врезании инструмента
- Методика вычисления траектории перемещения исполнительных элементов станка при обработке маложесткой оси постоянного диаметра ,
Введение к работе
Актуальность работы. При построении программ ЧПУ сложилась парадигма, заключающаяся в том, что при программировании формообразующих движений исходят из геометрического образа детали. При этом не учитывается реальная динамическая структура станка и ее влияние на траектории формообразующих движений, так как при этом возникает необходимость анализа множества факторов, таких как изменяющаяся жесткость заготовки и суппортной группы, температура и явления, связанные с ней, износ режущего инструмента, поведение незатянутых соединений по всей цепочке от двигателя до вершины режущего инструмента и многое другое.
В предлагаемой работе развивается подход, основанный на изучении динамической структуры станка и раскрытии закономерностей преобразования траектории движения исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений вершины инструмента. Он состоит в проектировании некоторого многообразия формообразующих движений, при которых характеристики геометрического качества изделия удовлетворяют требуемым нормам, а сами многообразия строятся с учетом динамических свойств конкретной станочной системы. При решении задачи построения программы ЧПУ, в этом случае необходимо решить обратную задачу динамики, то есть на основе многообразия траекторий формообразующих движений определить соответствующее многообразие траекторий исполнительных элементов. Теоретическое- обоснование этого подхода и реализация его на математическом и программном уровнях определяют актуальность диссертационного исследования.
Целью исследования диссертации является повышение точности формообразования маложестких деталей и деталей сложной геометрической формы на основе управления формообразующими движениями инструмента относительно заготовки. Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи:
разработать математические алгоритмы для вычисления преобразования траектории движения исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки с учетом их упругих деформаций при изготовлении изделий сложной геометрической формы, имеющих сложный закон распределения матриц жесткости вдоль траекторий движения инструмента;
- выполнить цифровое моделирование разработанных математических алгоритмов и на его основе выяснить основные закономерности
преобразования траекторий исполнительных элементов в траектории формообразующих движений и определить условия управляемости траекториями формообразующих движений путем изменения траекторий исполнительных элементов, а также программы ЧПУ;
разработать программно-аппаратный комплекс для идентификации основных параметров уравнения преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки;
экспериментально доказать адекватность математических моделей и выполнить параметрическую идентификацию уравнений преобразования;
разработать алгоритмы построения программ ЧПУ на основе решения обратной задачи динамики преобразования многообразия траекторий формообразующих движений, при котором обеспечиваются заданные показатели геометрического качества в траектории движения исполнительных элементов станка, и непосредственно в программу ЧПУ, с учетом ограничений, обусловленных динамическими свойствами приводов исполнительных движений;
проанализировать эффективность разработанных принципов построения программ ЧПУ при обработке конкретных деталей имеющих сложную геометрическую форму и при обработке маложесткой детали, матрица жесткости которой изменяется вдоль траектории движения инструмента относительно заготовки;
- выполнить производственные испытания разработанных алгоритмов в
составе комплекса динамического мониторинга и управления в
производственных условиях ОАО «Роствертол».
Научная новизна работы:
предложен и разработан принцип построения управляющих
программ ЧПУ, основанный не на геометрическом образе
обрабатываемого изделия, а на определяемых инвариантных
многообразиях траекторий формообразующих движений,
обеспечивающих заданные показатели геометрического качества изделия;
разработаны математические алгоритмы преобразования траектории исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки на основе уравнений динамики и данных о технологических режимах, упругих характеристиках подсистемы инструмента и заготовки, а также физико-механических характеристик заготовки;
предложена аппроксимация преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений в виде дифференциального уравнения, параметры которого
зависят от физико-механических свойств инструмента, частоты вращения заготовки и матрицы жесткости;
экспериментальные исследования преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений в совокупности с цифровым моделированием на основе предложенных математических моделей позволили определить область управляемости геометрической точностью на основе изменения траекторий исполнительных элементов.
Практическая ценность работы заключается в создании доведенной до практической реализации новой парадигмы построения программ ЧПУ токарных станков, основанной на построении программ ЧПУ не по геометрическому образу детали, а по многообразию траекторий исполнительных элементов станка, обеспечивающих требуемые показатели геометрического качества детали. Ее применение особенно актуально при обработке деталей сложной геометрической формы, обладающих малой, изменяющейся по траектории движения инструмента матрицей жесткости. Эта парадигма принята на ряде предприятий станкостроительной промышленной ассоциации «Станкоинструмент». Апробация работы Основные положения работы обсуждались на научно-технических конференциях: «Динамика технологических систем» в Саратове в 2004г., «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» в Ростове-на-Дону в 2005г. и ряде других. Объем работы Содержание диссертационной работы изложено на 210 страницах и включает в себя 130 иллюстраций. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы и приложений.
Основные тенденции совершенствования станков с ЧГТУ в интегрированном производстве
Состояние и уровень развития станкостроительной промышленности характеризует общую тенденцию развития машиностроения в стране [2], именно поэтому научные разработки, направленные на совершенствование металлорежущих станков, всегда актуальны. Современное состояние станкостроительной промышленности в мире является хорошей характеристикой внедрения в производство высоких технологий как в сфере металлообработки, так и управления. Однако сегодняшняя ситуация в станкостроении в России является далёкой от оптимизма. Достаточно привести, один пример. По данным ОАО "ЭНИМС" [2] в 1990 году Россия занимала второе и третье места по производству и потреблению станков в мире. В 1997 году - 20-ое место по производству и 35-ое место по потреблению станков в мире. Таким образом, в настоящее время многие машиностроительные предприятия испытывают острую потребность в обновлении станочного парка. Одним из наиболее дешевых и эффективных решений является модернизация имеющегося оборудования на базе современных систем ЧПУ, технологий и комплектующих. Из опыта ЗАО "ТГЖ Техиополюс" [3] стоимость полной модернизации станка составляет 30%-50% от стоимости нового станка.
Остановимся коротко на основной, признанной в мире, тенденции совершенствования систем управления станками, сформированной во многом отечественными научными школами. Это работы Балакшина Б.С., Базрова Б.М., Горнева В.Ф., Заковоротного В.Л., Морозова В.П., Колосова В.Г., Кобринского А.Е., Ратмирова В.А., Соломенцева Ю.М., Сосонкина В.Л., Тимирязева В.А., ТугенгольдаА.К., и др. [4-16] .
Применительно к станкам с ЧПУ отмечается общая тенденция, связанная с усложнением системы управления, снабжение её системой диагностики и с приближением исполнительных серводвигателей непосредственно к рабочим органам станка, совершающим формообразующие движения. В элементарных системах ЧПУ первого поколения программа записывалась магнитную ленту. При записи программы не применялось никакое кодирование. Задание на перемещение отображалось, например, фазой аналогового сигнала. Второе поколение систем ЧПУ (системы NC- numerical control) позволяли решать задачи интерполяции, ввода управляющей программы, управления контурной скоростью и пр. В этих системах функционирование задано структурно и оно не поддаётся оперативным изменениям. Эти системы позволяют с помощью клавиатуры несколько расширитв функции управления, например, вводить некоторые заранее оговоренные коррекции (например, размер инструмента, обеспечивать статическую и динамическую настройки инструмента и пр.). Развитие микропроцессорной техники приводит к постепенному сближению машинві и ЭВМ. Это в равной мере относится и к металлорежущим станкам.
Поэтому третье поколение построено по принципу CNC (Computerized numerical control). Системы CNC обеспечивают унификацию средств управления, то есть являются много цел еввіми. Такие системы строятся на основе индустриальных ЭВМ, обладают памятью достаточного объёма и является гибкими. Функциональные возможности таких систем постепенно расширялись и возможности систем увеличивались. Формируются системві самоконтроля функционирования управляющих систем. Однако основное их назначение- обеспечение функционирования станка как системы, обеспечивающей заданные траектории формообразующих движений, а также вспомогательных перемещений (манипуляторов смены инструментов, роботов, обеспечивающих связь с транспортными подсистемами и пр.).
Четвёртым поколением можно считать системы DNC (Direct numerical control). Они построены по иерархическому принципу. На верхнем уровне такой системы стоит ЭВМ, на нижнем - управляющие индустриальные ЭВМ числового программного управления (УЧПУ). Обычно функции ЭВМ верхнего уровня (смотри рисунок 1.1) определяются следующим:
- формирование управляющих программ и передача их в системы УЧПУ;
- диспетчеризация и оптимизация общесистемного технологического
процесса;
- контроль и диагностика и др.
Преобразование траектории движения суппорта в траекторию движения инструмента относительно заготовки при продольном точении
На первом этапе сделаем некоторые упрощения рассматриваемой динамической системы.
1. Будем считать заготовку абсолютно жесткой и недеформируемой.
2. Будем считать заданной и управляемой скорость движения суппорта. Кроме того, не рассматриваются деформации шпиндельного узла, суппортной группы, изменение припуска. Некоторые дополнительные допущения приводятся далее в ходе рассуждений.
Здесь: X" ={хиі,х"2,х"з} - координаты вершины резца;
Х = {х]5х1,х_1}- координаты суппорта, приведенные к точке вершины резца. Таким образом х" = X-XJ4), где Х,й = {xf\xf ,xf} - упругие деформации; г - радиус заготовки; tr(i) - глубина резания; со - частота вращения шпинделя; V = {V,,V2,V3} - скорость суппорта; VJ,) = {v Vf .V"1}- скорость вершины резца относительно суппорта.
Принятая система координат наиболее удобна для описания преобразования траектории движения исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки.
Ось х, соответствует оси X в системе координат ЧПУ.
Ось х2 соответствует оси Y в системе координат ЧПУ.
Ось х3 соответствует оси Z в системе координат ЧПУ, но направлена в
противоположную сторону.
В процессе точения суппорт не передвигается по координате х3, следовательно, X - {х, Дх3} и V = {V, Д V-,}. Координаты вершины резца
представляют- собой, в данном случае, координаты суппорта с учетом упругих деформаций инструмента относительно заготовки. С учетом вышесказанного, координаты вершины инструмента выражаются в виде:Х" = {xrxyla,0-xy2",x3-x_f).
Текущее положение вершины резца есть результат его перемещений с момента начала обработки t = 0. В момент времени / оно определяется как: x\ = )v:{t)dt; x i = )v ;(t)dt; x"3=)v!{i)dt. (2.1) Скорость движения вершины инструмента равна скорости движения суппорта с учетом упругих деформаций: V"=V-V-V\ (2.2) следовательно, текущее положение вершины резца можно выразить через скорость суппорта и скорость составляющей вызванной упругими деформациями:
Далее рассмотрим силу F = {F1;F2,F3}, возникающую в процессе резания. Она формируется в результате пересечения идеальной геометрии обрабатываемой заготовки и режущего инструмента с учетом скорости резания. В результате упругих деформаций, диссипативных сил в подвеске модели крепления инструмента, а также инерционных сил, сила приведенная к вершине инструмента будет определяться как:
Переходные процессы при врезании инструмента
Не описывая подробно эксперименты, общие сведения о которых приведены выше, рассмотрим основные показатели переходных процессов при врезании инструмента в заготовку и при переходе процесса точения с одного диаметра на другой. В процессе экспериментальных исследований варьировалась величина подачи на оборот и скорость резания. Основные эксперименты выполнены при точении заготовки из стали Ст45, однако для сравнения был взяты еще материалы чугун СЧ15 и легированная сталь 40ХН2МА. Дополнительные материалы выбраны из следующих соображений: при обработке чугуна пластическая деформация в зоне резания практически отсутствует, и в процессе обработки осуществляется хрупкое диспергирование материала заготовки. Поэтому факторы, связанные с пластической деформацией при обработке этого материала, практически отсутствуют. Материал 40ХН2МА относится к аустеиитному классу и является вязким и труднообрабатываемым.
Графики зависимости общего времени запаздывания (в оборотах и в секундах) от технологических режимов представлены на рисунке 3.20. Выполним предварительный анализ и сделаем некоторые уточнения по поводу полученных зависимостей.
На приведенных графиках показано 2 параметра: Т - время переходного процесса в секундах, которое в данном случае определяется по величине времени, в течении которого выходная координата принимает новое стационарное состояние при трубке регулирования равной 10% (смотри рисунок 3.21). Эта характеристика условно названа временным запаздыванием и измеряется в секундах.
Кроме этого, рассматривается пространственное запаздывание ТГ[, которое отсчитывается в количестве оборотов заготовки, в течении которого выходная координата также принимает новое стационарное состояние при трубке регулирования равной 10%.Очевидно, что при увеличении скорости резания, при неизменном пространственном запаздывании временное запаздывание будет уменьшаться по гиперболической зависимости.
Методика вычисления траектории перемещения исполнительных элементов станка при обработке маложесткой оси постоянного диаметра
Наиболее просто управление траекториями формообразующих движений осуществляется с помощью варьирования скорости подачи, и необходима подобрать ее таким образом, чтобы на каждом шаге интегрирования величина упругой деформации была постоянной. Тогда текущее значение радиуса заготовки будет определяться следующим образом (рисунок 4.1).
В начальный момент резания упругие деформации отсутствуют, координаты вершины инструмента равны {x"m;xf0);x"2w}, радиус заготовки г(0) = rfm. В момент времени і на величина текущего радиуса заготовки может быть определена по формуле
Отметим, что ранее, в целях упрощения модели, мы считали заготовку абсолютно жесткой и недеформируемой. В реальных условиях она имеет конечную жесткость, что оказывает существенное влияние на траекторию верншны инструмента и приводит к возникновению упругих деформаций заготовки {yfiyfiyf}. С учетом этого, система уравнений (2.13), описывающая связь между упругими деформациями и силой резания примет вид матрица жесткости детали; матрица ортогональных составляющих силы резания.
Подчеркнем, что в отличие от рассматриваемых в предыдущих главах случаев, здесь, во-первых, учитывается конечная жесткость заготовки, во-вторых рассматривается изменение жесткости от координаты перемещение суппорта.
Рассмотрим изменения в левой части данной системы, произошедшие в результате введения конечной жесткости детали. Как известно из (2.14), сила резания прямо пропорциональна площади срезаемого слоя S и коэффициенту p:F = pS. Из-за упругих деформаций площадь срезаемого слоя изменяется в течении процесса резания, и может быть рассчитана по формуле
На основе полученных уравнений, в программном пакете SImulink была построена математическая модель, описывающая преобразование траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений инструмента (рисунок 4.3). і Произведем моделирование со следующими начальными условиями: V3 = 4 мм/с; tp3= 1 мм; Т = 0.095 с; р = 420 кг/мм2; Х{ = 0.4; Х2 = 0.8; 13 = V0.2; си = 1000 кг/мм; C2 = С21 =40 кг/мм; с3[ = С3 = с32 = с23 = 20 кг/мм; с22 = с33 = 600 кг/мм. В отличие от матрицы жесткости инструмента, являющейся постоянной величиной, матрица жесткости заготовки является функцией координат точки контакта инструмента и заготовки. Исходные данные для моделирование были. взяты из работы [54], Графики изменения матриц жесткости заготовки вдоль Однако, такая аппроксимация является целесообразной, так как: получение аналитического выражения для вычисления матриц жесткости позволяет вычислить малые упругие перемещения не на основе таблицы данных, что всегда сложно, а на основе аналитических выражений.
Далее, приведем результаты моделирования. На рисунках 4.4, 4.5 и 4.6 приведены соответственно переходные процессы ортогональных составляющих силы резания, упругих деформаций инструмента и упругих деформаций заготовки при врезании. F, кг
